TOBB EKONOM˙I VE TEKNOLOJ˙I ÜN˙IVERS˙ITES˙I FEN B˙IL˙IMLER˙I ENST˙ITÜSÜ
D˙IKDÖRTGENS˙I B˙IR KANAL ˙ILE KU ¸SATILMI ¸S S˙IL˙IND˙IR˙IK B˙IR ÇUBUK ÜZER˙INDE SAB˙ITLENM˙I ¸S ÖNKARI ¸SIMLI LAM˙INER
ALEV˙IN DENEYSEL ˙INCELENMES˙I
YÜKSEK L˙ISANS TEZ˙I Görkem ÖZTARLIK
Makine Mühendisli˘gi Anabilim Dalı
Tez Danı¸smanı: Yrd. Doç. Dr. Sıtkı USLU
Fen Bilimleri Enstitüsü Onayı
... Prof. Dr. Osman ERO ˘GUL
Müdür
Bu tezin Yüksek Lisans derecesinin tüm gereksinimlerini sa˘gladı˘gını onaylarım.
... Doç. Dr. Murat Kadri AKTA ¸S
Anabilimdalı Ba¸skanı
TOBB ETÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü’nün 141517007 numaralı Yüksek Lisans ö˘grencisi Görkem ÖZTARLIK ’nın ilgili yönetmeliklerin belirledi˘gi gerekli tüm ¸sartları yerine getirdikten sonra hazırladı˘gı ”D˙IKDÖRTGENS˙I B˙IR KANAL ˙ILE KU-¸SATILMI ¸S S˙IL˙IND˙IR˙IK B˙IR ÇUBUK ÜZER˙INDE SAB˙ITLENM˙I ¸S ÖN-KARI ¸SIMLI LAM˙INER ALEV˙IN DENEYSEL ˙INCELENMES˙I” ba¸slıklı tezi 05.08.2016 tarihinde a¸sa˘gıda imzaları olan jüri tarafından kabul edilmi¸stir.
Tez Danı¸smanı: Yrd. Doç. Dr. Sıtkı USLU ... TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi
E¸s Danı¸sman: Prof. Dr. Thierry POINSOT ... Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
Jüri Üyeleri: Prof. Dr. Ünver KAYNAK (Ba¸skan) ... TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi
Prof. Dr. Yusuf ÖZYÖRÜK ... Orta Do˘gu Teknik Üniversitesi
Prof. Dr. Abdullah ULA ¸S ... Orta Do˘gu Teknik Üniversitesi
Doç. Dr. O˘guz UZOL ... Orta Do˘gu Teknik Üniversitesi
TEZ B˙ILD˙IR˙IM˙I
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranı¸s ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunuldu˘gunu, alıntı yapılan kaynaklara eksiksiz atıf yapıldı˘gını, referans-ların tam olarak belirtildi˘gini ve ayrıca bu tezin TOBB ETÜ Fen Bilimleri Ensti-tüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlandı˘gını bildiririm.
Görkem ÖZTARLIK
ÖZET Yüksek Lisans Tezi
D˙IKDÖRTGENS˙I B˙IR KANAL ˙ILE KU ¸SATILMI ¸S S˙IL˙IND˙IR˙IK B˙IR ÇUBUK ÜZER˙INDE SAB˙ITLENM˙I ¸S ÖNKARI ¸SIMLI LAM˙INER ALEV˙IN
DENEYSEL ˙INCELENMES˙I Görkem ÖZTARLIK
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Makine Mühendisli˘gi Anabilim Dalı
Tez Danı¸smanı: Yrd. Doç. Dr. Sıtkı USLU Tarih: A˘gustos 2016
Çalkantılı yayınım etkilerinin bulunmadı˘gı laminer alevler, alev yapısı, yanma kimyası ve akustik tahrik altında alevlerin davranı¸slarını incelemek amacıyla lite-ratürde sıkça kullanılmaktadır. Bu çalı¸smada dikdörtgensi bir kanal ile ku¸satılmı¸s silindirik bir çubuk üzerinde sabitlenmi¸s önkarı¸sımlı laminer bir alev, alevin po-zisyonunun belirlenmesi adına, hidrokarbon alevlerinin üretti˘gi ısının iyi bir nite-liksel ölçütü oldu˘gu bilinen CH* emisyon foto˘grafları ve tepkimeli akı¸s için alev öncesi ve tepkimesiz durum için kamera görü¸s açısının elverdi˘gi oranda hız alanı-nın ölçülmesine olanak veren Parçacık Görüntü Hız ölçümü teknikleriyle deney-sel incelenmi¸stir. Sayısal yöntemler kullanılarak deneydeney-sel düzenekteki akı¸s, açık kaynak hesaplamalı akı¸skanlar dinami˘gi kodu OpenFOAM ve CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique) tarafın-dan geli¸stirilen hesaplamalı akı¸skanlar dinami˘gi kodu AVBP kullanılarak model-lenmi¸stir. Elde edilen deneysel ölçümler ve HAD sonuçları uzla¸sma durumunun de˘gerlendirilebilmesi için birbirleriyle kar¸sıla¸stırılmı¸stır ve aralarındaki uyum in-celenmi¸stir. Deneysel sonuçlar ve hesaplamalar alevin tutunma mekanizmasının incelenmesinde kullanılmı¸stır. Tepkimesiz sıkı¸stırılamaz akı¸s durumu için ger-çekle¸stirilen HAD çalı¸smaları ve deneysel sonuçlar kullanılarak burgaç kopması fenomeni incelenmi¸s ve sınır tabaka ayrılma noktaları ara¸stırılmı¸stır. Silindirik
çubu˘gun döndü˘gü durumlarda dönü¸s hızının burgaç kopması fenomenine etkisi ara¸stırılmı¸s ve kaldırma katsayıları incelenmi¸stir. Alev sönme mesafesi duvar sı-caklıkları, yanma kimyası ve gerilme etkilerine son derece ba˘glı oldu˘gundan alev kök pozisyonu karı¸sımın kompozisyonundan ve birbirleriyle ili¸skili olan duvar sı-caklıklarından son derece etkilenecektir. Bu etki aynı serbestçe yayınan alev hız-larına sahip metan/hava ve hidrojenle zenginle¸stirilmi¸s metan/hava alevleri için kar¸sıla¸stırmalı olarak incelenmi¸stir. Bunların yanında açık kaynak bir kimya çözü-cüsü olan CANTERA kodu kullanılarak de˘gi¸sik ko¸sullar ve kimyasal mekanizma-lar için serbestçe yayılan ve gerinim altındaki alev hızmekanizma-ları, kendili˘ginden tutu¸sma zamanları, ve denge kimyası hesaplamaları gerçekle¸stirilmi¸stir. Fosil yakıtlara iyi bir alternatif olarak dü¸sünülen hidrojen ve hidrojenin çalı¸smada kullanılan metan gibi fosil yakıtlara katıldı˘gındaki etkileri ara¸stırılmı¸stır. Aynı serbestçe yayılan alev hızlarına sahip metan/hava ve hidrojen katkılı metan/hava alevleri için geri-nim etkisi altındaki alevler ve deneysel düzene˘gin HAD benzetimleri hesaplanmı¸s ve alev hızları ile alev tutunma mekanizmaları kar¸sıla¸stırılmı¸stır.
Anahtar Kelimeler: Laminer alev, Deneysel, Modelleme.
ABSTRACT Master of Science
Experimental Investigation of a Premixed Laminar Flame Stabilized on a Cylindrical Rod Confined in a Rectangular Duct
Görkem ÖZTARLIK
TOBB University of Economics and Technology Institute of Natural and Applied Sciences
Department of Mechanical Engineering
Supervisor: Assist. Prof. Sıtkı USLU Date: August 2016
Laminar flames, in which the effect of turbulent diffusion is non-present, are wi-dely used in the literature to study the flame structure, combustion chemistry and flame behavior under acoustic fluctuations. In this study a laminar flame stabilized on a cylindrical rod confined in a rectangular duct is investigated experimentally by utilizing CH* emission photographs; which is found to be a good representa-tion of the qualitative heat release in hydrocarbon flames, to obtain the posirepresenta-tion of the flame and PIV measurements to acquire the velocity field prior to the flame and in a part of the chamber which can be accessed by the field of view of the camera for non-reacting cases. Also, open source CFD software OpenFOAM and AVBP CFD code developed by CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique) has been utilized to simulate the flow to be compared to the experiments for the assessment of the degree of agreement. These measurements and calculations are then be used to study the flame stabi-lization mechanism on the rod. The CFD calculations for the non-reacting cases and the experiments have been used to study the Karman vortex shedding phe-nomenon and the location of the boundary layer separation points. When the rod is actuated, the effect of the speed of rotation of the rod on the vortex shedding mechanism and the lift coefficient has been investigated. As the flame quenching distance is depending on the wall temperature of the rod, combustion chemistry
and the effects of strain, the flame root position will be greatly affected by the composition of the mixture and the wall temperature of the rod. This study also includes non-stretched and stretched laminar flame speed, auto ignition delay time and equilibrium calculations for different conditions performed by open source chemistry solver CANTERA using different chemical mechanisms. As it is con-sidered to be a good alternative to fossil fuels, there is specific interest on the effects of hydrogen addition to the primary fuel which is methane and the effects of hydrogen addition on flame speeds, extinction strain rates and equilibrium tem-peratures have been investigated. For the methane/air and hydrogen enriched met-hane air flames that have the same freely propagating flame speeds stretched flame speeds and CFD calculations of the experimental setup has been performed to as-sess the effect of hydrogen on stretched flame speeds and the flame stabilization mechanism on the rod.
Keywords: Laminar flame, Experimental, Simulation
TE ¸SEKKÜR
Çalı¸smalarım boyunca de˘gerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren hocam Yrd. Doç. Dr. Sıtkı USLU ve Prof. Dr. Thierry POINSOT, kıymetli tecrübelerinden fay-dalandı˘gım TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Makine Mühendisli˘gi Bölümü ö˘gretim üyelerine ve destekleriyle her zaman yanımda olan aileme ve arkada¸sla-rıma çok te¸sekkür ederim.
Ayrıca çalı¸smalarım süresince beni yönlendiren, uyum sa˘glamam için son derece yardımcı olan, fikirlerine son derece önem verdi˘gim Dr. Laurent SELLE’e te¸sek-kürü bir borç bilirim. Ek olarak derin bilgilerinden faydalandı˘gım ve ofisini pay-la¸stı˘gım Prof. Dr. Benoit BEDAT’a, yardımlarından dolayı Prof. Dr. T. Hikmet KARAKOÇ’a, yurt dı¸sına çıkı¸s sürecinde okulumuzun idari i¸slerinde beni yal-nız bırakmayan Prof. Dr. Osman ERO ˘GUL ve Doç. Dr. Murat Kadri AKTA ¸S’a te¸sekkür ederim.
Bu çalı¸smada tecrübelerinden faydalandı˘gım çalı¸sma arkada¸slarım Dr. Pradip XA-VIER, Dr. Daniel MEJIA, Dr. Christian KRAUS, Dr. Abdulla GHANI, Maxence BREBION ve Dr. Corentin LAYPERE’e, hem çalı¸smalarımda hem de arkada¸s-lıkları ile yanımda olan Ziad HAMIDOUCHE, Thomas KAISER, Solene CHEV-RIER, Valentin GOSSELIN, Qiancheng WANG, Ainur NIGMETOVA, Nicolas MONROLIN, Quentin DOUASBIN ve François AUDARD’a te¸sekkürlerimi su-narım.
Fransa’daki zamanımı son derece keyifli kılan ve misafirperverliklerini esirgeme-yen Nathalie CHAUVIERE SALAZAR, Elsa SANCHEZ, Filippo Di CECCA, Pierre-Yves LAMBOLEZ, Leslie HASSID, Guilhem FIRMIN, Marie Pierre GA-BIS, Eric SCHMITT’e dostluklarından dolayı, hem i¸s hem özel hayatımda hem de bu tez süresince her sıkıldı˘gımda yanımda olan Ender Hepkaya’ya, zor za-manımda hızır gibi yeti¸sen Yasin ¸SÖHRET ve Fırat KIYICI’ya, fikirlerine her zaman güvendi˘gim O˘guz BA ¸SER’e, dostlu˘gu, deste˘gi ve yardımlarından dolayı Enis DÖNMEZ’e te¸sekkür ederim.
Hayatımın uzun bir bölümünde yanımda olan Pınar YAVUZ’a, eskimeyen dost-luklarından dolayı Sapanca Takımı üyeleri Semih ÇULHAO ˘GLU, Burcu BOS-TAN, Hayri Can AKYEL, Ezgi DEM˙IRALP, Ece YUYAR, Gökçe SÜRENKÖK’e te¸sekkürlerimi iletirim.
Lisans üstü ö˘grenimim boyunca ara¸stırma bursu sa˘gladı˘gı için TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi’ne te¸sekkürü bir borç bilirim.
˙IÇ˙INDEK˙ILER Sayfa ÖZET . . . iv ABSTRACT . . . vi TE ¸SEKKÜR . . . viii ˙IÇ˙INDEK˙ILER . . . ix ¸SEK˙IL L˙ISTES˙I . . . xi
Ç˙IZELGE L˙ISTES˙I . . . xviii
KISALTMALAR . . . xix
SEMBOL L˙ISTES˙I . . . xx
RES˙IM L˙ISTES˙I . . . xxi
1. G˙IR˙I ¸S . . . 1
1.1 Tezin Amacı . . . 2
1.2 Literatür Ara¸stırması . . . 3
1.2.1 Ku¸satmanın küt cisim etrafındaki akı¸sa etkisi . . . 5
1.2.2 Alevin küt cisim etrafındaki akı¸sa etkisi . . . 8
1.2.3 Alev geri tepmesi (Flashback) . . . 8
1.2.4 Sınır tabakada alev geri tepmesi . . . 9
1.3 Yakıt Olarak Hidrojen . . . 10
1.3.1 Hidrojenle zenginle¸stirme . . . 13
2. PIV . . . 15
2.1 Parçacıklardan Saçınan I¸sık (Mie Rejimi) . . . 18
2.2 I¸sık Kaynakları, Aydınlatma ve Lazerin Optik ˙I¸slenimi . . . 18
2.3 Görüntülerin Kaydedilmesi ve Kameralar . . . 19
2.4 Sayısalla¸stırılmı¸s Parçacık Görüntüsü . . . 21
2.5 Görüntü Analizi . . . 21
3. DENEYSEL DÜZENEK VE SONUÇLAR . . . 27
3.1 Deneysel Sonuçlar . . . 32
3.2 PIV Sonuçları . . . 32
3.3 CH* chemiluminescence Results . . . 39
4. HAD HESAPLAMALARI . . . 41
4.1 E¸sısıl HAD Hesaplamaları . . . 41
4.2 Denge Kimyası ve Bir Boyutlu Alev Hesaplamaları . . . 58
4.2.1 Serbestçe yayılan alev korunum denklemleri . . . 59
4.2.2 Kendili˘ginden tutu¸sma zamanları . . . 65
4.3 Gerinim Etkisi Altındaki Alevler . . . 69 ix
4.3.1 Korunum denklemleri . . . 69
4.3.2 Gerinimli alev sonuçları . . . 70
4.4 Tepkimeli HAD Hesaplamaları . . . 81
5. HAD SONUÇLARI ˙ILE DENEYSEL VER˙ILER˙IN KAR ¸SILA ¸STIRIL-MASI VE H˙IDROJENLE ZENG˙INLE ¸ST˙IR˙ILM˙I ¸S ALEV˙IN TAH-M˙IN˙I . . . 87
5.1 Sıkı¸stırılamaz Tepkimesiz HAD - Deneysel Sonuçlar Kar¸sıla¸stırılması . . . 87
5.2 Tepkimeli HAD - Deneysel Sonuç Kar¸sıla¸stırması . . . 87
5.3 Hidrojenle Zenginle¸stirilmi¸s Alev . . . 93
5.4 Sonuç . . . 97
KAYNAKLAR . . . 101
EKLER . . . 109
ÖZGEÇM˙I ¸S . . . 161
¸SEK˙IL L˙ISTES˙I
Sayfa ¸Sekil 1.1: Ku¸satma oranı r = 1/3 olan ku¸satılmı¸s silindir etrafındaki akı¸s,
Reynolds sayısı Re = 100 [61]. . . 6
¸Sekil 1.2: Küt cisim etrafındaki e¸sısıl akı¸staki kilit özellikler. Üst kısımda zamana ba˘glı akı¸s topolojisi gösterilmi¸s, alt kısımda ise zaman ortalamalı hız profilleri sunulmu¸stur. Bunlara ek olarak ku¸satıl-mı¸s tepkimeli durum için iz akı¸sından jet akı¸sına geçi¸si tanımla-yan zaman ortalamalı hız profilleri alt sa˘g kısımda sunulmu¸stur [68]. . . 8
¸Sekil 1.3: a-e¸sısıl ve b-tepkimeli durumlardaki hız vektörleri [22]. . . 9
¸Sekil 1.4: Hidrojen, metan ve propan alevlerinin sönme mesafeleri [12]. . . 10
¸Sekil 1.5: Hidrojen üretiminde kullanılan i¸slemler ve kaynaklar [13]. . . 12
¸Sekil 2.1: Geleneksel bir PIV sisteminin ¸sematik temsili [59]. . . 15
¸Sekil 2.2: Lüle içi akı¸sın sorgulama pencerelerini gösteren PIV görüntüsü [3]. 16 ¸Sekil 2.3: Aynı konumda farklı zamanlarda alınmı¸s parçacıkların hareketini gösteren iki görüntü [3]. . . 16
¸Sekil 2.4: Korelasyon fonksiyonundaki pikin temsili görüntüsü [81]. . . 17
¸Sekil 2.5: 1 µm çapındaki ya˘g damlacı˘gının ı¸sık saçınımı [59]. . . 18
¸Sekil 2.6: 10 µm çapındaki ya˘g damlacı˘gının ı¸sık saçınımı [59]. . . 18
¸Sekil 2.7: Lazerden çıkan sütun biçimindeki lazer ı¸sınının optik i¸slenimi [59]. 19 ¸Sekil 2.8: Foto˘graf karesi ta¸sınımlı (frame transfer) CCD kameralarda sen-sör da˘gılımı [59]. . . 20
¸Sekil 2.9: Foto˘graf karesi ta¸sınımlı (frame transfer) CCD kameralarda za-manlama diyagramı [59]. . . 20
¸Sekil 2.10: PIV görüntüsündeki parlaklık da˘gılımı; parçacıklardan saçınan Gauss da˘gılımlı ı¸sık Ip, münferit piksellerdeki rastlantısal gü-rültü Isp, dü¸sük frekanslı fon gürültü Il f, tümle¸sik parlaklık da-˘gılımı Itot [3]. . . 21
¸Sekil 2.11: PIV yöntemindeki görüntü i¸sleme adımı; gri-skala yo˘gunluklar-dan olu¸san G1görüntüsü ve akabindeki G2görüntüsü [3]. . . 21
¸Sekil 2.12: En küçük ikinci dereceden fark [3]. . . 22
¸Sekil 2.13: Korelasyon sinyalinin görsel temsili [3]. . . 23
¸Sekil 2.14: FFT metodu ile korelasyon yönteminin görsel temsili [59]. . . . 24
¸Sekil 2.15: Korelasyon pikinin piksel altı konumunun tahmini ve uydurulan e˘grinin temsili görseli [3]. . . 25
¸Sekil 3.1: Deney düzene˘gi, (Daniel Mejia, ki¸sisel görü¸sme, 2016). . . 28
¸Sekil 3.2: Deney düzene˘ginin ölçüleri içeren ¸sematik görüntüsü, (Daniel
Mejia, ki¸sisel görü¸sme, 2016). . . 29
¸Sekil 3.3: Büyütme oranının belirlenmesinde kullanılan kalibrasyon plakası. 29 ¸Sekil 3.4: Ham görüntüden kesilen örnek bir sorgulama penceresi. . . 30
¸Sekil 3.5: Görüntü çiftinin ikinci görüntüsünden kesilen örnek bir arama penceresi. . . 31
¸Sekil 3.6: Örnek olarak sunulan sorgulama penceresi ve arama penceresinin korelasyonu. . . 32
¸Sekil 3.7: Silindirin sabit tutuldu˘gu durum için ortalama deplasman alanı. . 33
¸Sekil 3.8: Seçilen noktaların konumları ve X-yönündeki ortalama deplas-man alanı konturları. . . 33
¸Sekil 3.9: x-deplasman alanının zaman ortalamasının görüntü çifti sayısına göre de˘gi¸simi. . . 34
¸Sekil 3.10: Silindirin sabit tutuldu˘gu durum için PIV yöntemi ile ölçülen U-hız alanı, siyah çizgi geri dönü¸s bölgesini temsil etmektedir. . 35
¸Sekil 3.11: Silindirin sabit tutuldu˘gu durumda vortisite alanı. . . 36
¸Sekil 3.12: PIV ile ölçülen u-hız alanı, siyah çizgi ortalama geri dönü¸s böl-gesini temsil etmektedir, RPM=2900. . . 36
¸Sekil 3.13: Vortisite alanı, RPM=2900. . . 37
¸Sekil 3.14: PIV ile ölçülen u-hız alanı, siyah çizgi ortalama geri dönü¸s böl-gesini temsil etmektedir, RPM=6000. . . 37
¸Sekil 3.15: PIV ile ölçülen u-hız alanı, siyah çizgi ortalama geri dönü¸s böl-gesini temsil etmektedir, RPM=7800. . . 38
¸Sekil 3.16: Tepkimeli akı¸sta PIV ile ölçülen u-hız alanı, beyaz bölüm zeytin ya˘gı damlacıklarının buharla¸sıp yanmasından dolayı ölçümlerin mümkün olmadı˘gı alev ve alev sonrası bölgelerini göstermektedir. 38 ¸Sekil 3.17: Alevin anlık (instantaneous) CH* kimyasal ı¸sıldama görüntüsü, φ =0.75, RPM=0. . . 39
¸Sekil 3.18: Alevin ortalaması alınmı¸s ve normalle¸stirilmi¸s CH* kimyasal ı¸sıldama görüntüsü, φ =0.75, RPM=0. . . 39
¸Sekil 3.19: Alevin ortalaması alınmı¸s ve normalle¸stirilmi¸s CH* kimyasal ı¸sıldama görüntüsü, φ =0.7, RPM=0. . . 40
¸Sekil 4.1: HAD hesaplamalarında kullanılan giri¸s hız profili . . . 41
¸Sekil 4.2: Silindir etrafındaki iki boyutlu sonlu a˘g. . . 42
¸Sekil 4.3: Kanalın duvarları etrafındaki iki boyutlu sonlu a˘g. . . 42
¸Sekil 4.4: Silindir etrafındaki iki boyutlu sonlu a˘g. . . 43
¸Sekil 4.5: Çubu˘gun sabit oldu˘gu e¸sısıl, 1.07 m/s yı˘gın hız durumunda hesap-lanan z-yönündeki vortisite. Kopma periyodu, kaldırma katsayı-sının i¸saret de˘gi¸simleri, azami ve asgari de˘gerlerine denk gelecek ¸sekilde dört zaman örne˘gine bölünmü¸stür. . . 44
¸Sekil 4.6: Örneklenen silindir üzerindeki kaldırma katsayısı ve sinyalin HFD’si ile baskın frekansının hesaplanması, RPM=0. . . 45 ¸Sekil 4.7: Çubu˘gun 2900 RPM’de döndü˘gü e¸sısıl, 1.07 m/s yı˘gın hız
duru-munda hesaplanan z-yönündeki vortisite. Kopma periyodu, kal-dırma katsayısının i¸saret de˘gi¸simleri, azami ve asgari de˘gerlerine denk gelecek ¸sekilde dört zaman örne˘gine bölünmü¸stür. . . 46 ¸Sekil 4.8: Örneklenen silindir üzerindeki kaldırma katsayısı ve sinyalin
HFD’si ile baskın frekansının hesaplanması, RPM=2900 . . . 47 ¸Sekil 4.11: Örneklenen silindir üzerindeki kaldırma katsayısı ve sinyalin
HFD’si ile baskın frekansının hesaplanması, RPM=7800. . . 47 ¸Sekil 4.9: Çubu˘gun 6000 RPM’de döndü˘gü e¸sısıl, 1.07 m/s yı˘gın hız
duru-munda hesaplanan z-yönündeki vortisite. Kopma periyodu, kal-dırma katsayısının i¸saret de˘gi¸simleri, azami ve asgari de˘gerlerine denk gelecek ¸sekilde dört zaman örne˘gine bölünmü¸stür. . . 48 ¸Sekil 4.10: Örneklenen silindir üzerindeki kaldırma katsayısı ve sinyalin
HFD’si ile baskın frekansının hesaplanması, RPM=6000. . . 49 ¸Sekil 4.12: Çubu˘gun 7800 RPM’de döndü˘gü e¸sısıl, 1.07 m/s yı˘gın hız
duru-munda hesaplanan z-yönündeki vortisite. Kopma periyodu, kal-dırma katsayısının i¸saret de˘gi¸simleri, azami ve asgari de˘gerlerine denk gelecek ¸sekilde dört zaman örne˘gine bölünmü¸stür. . . 49 ¸Sekil 4.13: Hız alanının x-yönündeki bile¸seninin Reynolds ortalaması.
Si-yah çizgi ortalama geri dönü¸s bölgesini temsil eden, ortalama hız alanının x-yönündeki Reynodls ortalamasının sıfır oldu˘gu çiz-giyi göstermektedir, RPM=0. . . 50 ¸Sekil 4.14: Hız alanının x-yönündeki bile¸seninin Reynolds ortalaması.
Si-yah çizgi ortalama geri dönü¸s bölgesini temsil eden, ortalama hız alanının x-yönündeki Reynodls ortalamasının sıfır oldu˘gu çiz-giyi göstermektedir, RPM=2900. . . 50 ¸Sekil 4.15: Hız alanının x-yönündeki bile¸seninin Reynolds ortalaması.
Si-yah çizgi ortalama geri dönü¸s bölgesini temsil eden, ortalama hız alanının x-yönündeki Reynodls ortalamasının sıfır oldu˘gu çiz-giyi göstermektedir, RPM=6000. . . 51 ¸Sekil 4.16: Hız alanının x-yönündeki bile¸senini. Siyah çizgi geri dönü¸s
böl-gesini temsil eden, hız alanının x-yönündeki bile¸seninin sıfır ol-du˘gu çizgiyi göstermektedir, RPM=7800. . . 51 ¸Sekil 4.17: Hız büyüklü˘gü ile renklendirilen hız vektörleri, RPM=0. . . 52 ¸Sekil 4.18: Hız büyüklü˘gü ile renklendirilen hız vektörleri, RPM=2900. . . 53 ¸Sekil 4.19: Hız büyüklü˘gü ile renklendirilen hız vektörleri, RPM=6000. . . 54
¸Sekil 4.20: Hız büyüklü˘gü ile renklendirilen hız vektörleri. Ayrılma bölgesi duvar üzerindeki kayma gerilmesinin te˘getsel bile¸seninin sıfır ol-du˘gu noktalar olarak tanımlanmı¸s ve koyu kırmızı noktalar ola-rak sunulmu¸stur. Siyah çizgiler akı¸s te˘getsel hızının silindir çiz-gisel hızına e¸sit oldu˘gu bölgeleri, mor çizgiler te˘getsel hızın sıfır oldu˘gu bölgeyi göstermektedir, RPM=7800. Akı¸s kararlı duruma ula¸smı¸stır. . . 55 ¸Sekil 4.21: Ortalama hız büyüklü˘gü ile renklendirilen ortalama hız
vektör-leri. Ayrılma bölgesi duvar üzerindeki ortalama kayma gerilme-sinin te˘getsel bile¸seninin sıfır oldu˘gu noktalar olarak tanımlan-mı¸s ve koyu kırmızı noktalar olarak sunulmu¸stur, RPM=0. . . 56 ¸Sekil 4.22: Ortalama hız büyüklü˘gü ile renklendirilen ortalama hız
vektör-leri. Ayrılma bölgesi duvar üzerindeki ortalama kayma gerilme-sinin te˘getsel bile¸seninin sıfır oldu˘gu noktalar olarak tanımlan-mı¸s ve koyu kırmızı noktalar olarak sunulmu¸stur, RPM=2900. . . 57 ¸Sekil 4.23: Ortalama hız büyüklü˘gü ile renklendirilen ortalama hız
vektör-leri. Ayrılma bölgesi duvar üzerindeki ortalama kayma gerilme-sinin te˘getsel bile¸seninin sıfır oldu˘gu noktalar olarak tanımlan-mı¸s ve koyu kırmızı noktalar olarak sunulmu¸stur, RPM=6000. . . 58 ¸Sekil 4.24: Metan-hidrojen karı¸sımlarının stokiyometrik hava/yakıt oranları. 62 ¸Sekil 4.25: Metan-hidrojen karı¸sımlarının 300 K sıcaklık ve atmosferik
ba-sınçtaki yo˘gunlukları. . . 62 ¸Sekil 4.26: Hidrojen-metan/hava karı¸sımları için e¸sde˘gerlilik katsayısı ve
hidrojen oranına denk gelen 300 K sıcaklık ve atmosferik ba-sınçtaki yo˘gunlukları. . . 62 ¸Sekil 4.27: Hidrojen-metan karı¸sımları için alt ısıl de˘gerleri. . . 63 ¸Sekil 4.28: 300 K sıcaklıkta atmosferik basınçtaki tepkenler için hesaplanan
e¸sde˘gerlilik oranı - hidrojen oranı uzayındaki denge sıcaklı˘gı so-nuçları. . . 63 ¸Sekil 4.29: 300 K önkarı¸sım sıcaklı˘gı ve atmosferik basınç altındaki saf
metan/hava karı¸sımları için alev hızları. Çizgiler sayısal hesap-lamaları, imleçler Gu et. al. [27], Hu et. al. [33] ve Hassan et. al. [31]’ın deneysel sonuçlarını temsil etmektedir. . . 63 ¸Sekil 4.30: 300 K önkarı¸sım sıcaklı˘gı ve atmosferik basınç altındaki %20
oraninda hidrojen ile zenginle¸stirilmi¸s-metan/hava karı¸sımları için alev hızları. Çizgiler sayısal hesaplamaları, imleçler Halter et al.[30] , Hu et al. [33]; Tanoue et al. [76] ve Yu et al. [83]’ın deneysel sonuçlarını temsil etmektedir. . . 64
¸Sekil 4.31: 300 K önkarı¸sım sıcaklı˘gı ve atmosferik basınç altındaki saf hid-rojen/hava karı¸sımları için alev hızları. Çizgiler sayısal hesapla-maları, imleçler Dowdy et al. [16]; Hu et al. [33]; Sun et al. [73]; Takahashi et al. [74]’ın deneysel sonuçlarını temsil etmektedir. . 64 ¸Sekil 4.32: 300 K tepken sıcaklı˘gı ve atmosferik basınç altındaki GRI-Mech
3.0 kimyasal mekanizması ile hesaplanan alevler için molar hid-rojen oranı ve e¸sde˘gerlilik oranı uzayındaki alev hızları. . . 65 ¸Sekil 4.33: Hesaplanan kendili˘ginden tutu¸sma zamanlarının de˘gi¸sik
e¸sde-˘gerlilik oranları, basınçlar ve sıcaklıkları için sıcaklı˘gın tersine göre de˘gi¸simleri. ˙Imleçler Hu et. al. [34]’ın deneysel sonuçlarını temsil etmektedir. . . 66 ¸Sekil 4.34: Hidrojen katkısı ile kendili˘ginden tutu¸sma zamanının de˘gi¸simi.
Çizgiler: hesaplamalar, imleçler: Gersen et al. [24]’ın deneysel sonuçları. . . 68 ¸Sekil 4.35: Birbirine kar¸sı yerle¸stirilmi¸s iki lüle yapısı kullanılarak ikiz,
gerinimli önkarı¸sımlı alevlerin olu¸sturulabildi˘gi kar¸sıt lüle düze-ne˘ginin ¸sematik temsili [44]. . . 69 ¸Sekil 4.36: Denklem 4.32’de sunulan bölgesel gerinim oranının çizgisel
temsili, dikey kesikli ye¸sil çizgi sıcaklı˘gın Tgreen = Tinlet+ 3.0
oldu˘gu bölgeyi temsil etmekte ve bölgesel gerinim oranının ta-nımlandı˘gı noktanın alevin ön ısıtma bölgesinden önce oldu˘gunu göstermektedir. . . 70 ¸Sekil 4.37: ˙Iki farklı kimyasal mekanizma kullanılarak Cantera yazılımı ile
hesaplanan kar¸sıt akı¸slı alevler ile Cuoci et. al. [10]’ın sonuçla-rının kar¸sıla¸stırılması. . . 71 ¸Sekil 4.38: Sönene kadar zorlanan, LU 19 ve Polimi mekanizması ile
he-saplanan ve Cuoci et. al. [10]’ın sonuçları ile kar¸sıla¸stırılan kar¸sıt akı¸slı ikiz alevlerin maksimum sıcaklık cevapları. . . 72 ¸Sekil 4.39: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alevle-rin kimyasal tür profilleri, sınır eksenel hızı u=4.0 m/s . . . 74 ¸Sekil 4.40: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alev-lerin sıcaklık ve eksenel hız profilleri, sınır eksenel hızı u=4.0 m/s. . . 74 ¸Sekil 4.41: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alevle-rin tepkime ısısı profilleri, sınır eksenel hızı u=4.0 m/s. . . 75 ¸Sekil 4.42: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alevle-rin kimyasal tür profilleri, sınır eksenel hızı u=6.51 m/s. . . 75 ¸Sekil 4.43: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alev-lerin sıcaklık ve eksenel hız profilleri, sınır eksenel hızı u=6.51 m/s. . . 76
¸Sekil 4.44: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan alevle-rin tepkime ısısı profilleri, sınır eksenel hızı u=6.51 m/s. . . 76 ¸Sekil 4.45: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alevle-rin sönme noktasındaki kimyasal tür profilleri. . . 77 ¸Sekil 4.46: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alevle-rin sönme noktasındaki sıcaklık ve eksenel hız profilleri. . . 77 ¸Sekil 4.47: LU19 ve Polimi kimyasal mekanizmaları ile hesaplanan
alevle-rin sönme noktasındaki tepkime ısısı profilleri. . . 78 ¸Sekil 4.48: LU19 mekanizması ile hesaplanan sönme gerinim oranları ile
Jackson et. al. [37]’ın deneysel sonuçlarının kar¸sıla¸stırılması. . . 78 ¸Sekil 4.49: 573 K karı¸sım sıcaklı˘gı ve 1 atm basınç altında LU19
mekaniz-ması ile hesaplanan sönme gerinim oranları. . . 79 ¸Sekil 4.50: 300 K karı¸sım sıcaklı˘gı ve 1 atm basınç altında LU19
mekaniz-ması ile hesaplanan sönme gerinim oranları. . . 79 ¸Sekil 4.51: Gerinim etkisi altındaki alevler için alev hızlarının tanımı. . . . 80 ¸Sekil 4.52: Saf metan/hava ve hidrojen katkılı metan/hava alevleri için
ge-rinimli alev hızlarının gerinim oranına ba˘glı de˘gi¸simi. . . 80 ¸Sekil 4.53: Saf metan/hava ve hidrojen katkılı metan/hava alevleri için
geri-nimli alevlerde durma noktası sıcaklı˘gının gerinim oranına ba˘glı de˘gi¸simi. . . 80 ¸Sekil 4.54: Tepkimeli akı¸s benzetimlerinde kullanılan sonlu a˘gın silindirin
etrafındaki görüntüsü. . . 81 ¸Sekil 4.55: Tepkimeli akı¸s benzetimlerinde kullanılan sonlu a˘gın alev
etra-fındaki görüntüsü. . . 82 ¸Sekil 4.56: φ = 0.75, p = 1 atm, Tin = 300 K için saf metan/hava alevi
boyunca normalle¸stirilmi¸s Reynolds sayısının de˘gi¸simi. . . 82 ¸Sekil 4.57: φ = 0.75 metan/hava alevinde gözlenen akı¸s çizgileri ve alevin
üretti˘gi ısı. . . 83 ¸Sekil 4.58: φ = 0.7 e¸sde˘gerlilik oranındaki metan/hava alevindeki alkı¸s
çiz-gileri ve alevin üretti˘gi ısı. . . 83 ¸Sekil 4.59: φ = 0.75 e¸sde˘gerlilik oranındaki metan/hava alevindeki sıcaklık
konturları. . . 84 ¸Sekil 4.60: φ = 0.75 e¸sde˘gerlilik oranındaki metan/hava alevindeki sıcaklık
konturları. . . 84 ¸Sekil 4.61: Her iki durum için Θ = 0.9 e¸s-çizgileri. . . 85 ¸Sekil 5.1: PIV ölçümleri ve OpenFOAM HAD sonuçları ile elde edilmi¸s
x-yönündeki hızların silindirden duvara çekilmi¸s bir do˘gru üze-rindeki da˘gılımının kar¸sıla¸stırılması, RPM=0. . . 88
¸Sekil 5.2: PIV ölçümleri ve tamamen tekdüze bir giri¸s hız profili kulla-nılarak hesaplanan OpenFOAM HAD sonuçları ile elde edilmi¸s x-yönündeki hızların silindirden duvara çekilmi¸s bir do˘gru üze-rindeki da˘gılımının kar¸sıla¸stırılması, RPM=0. . . 89 ¸Sekil 5.3: PIV ölçümleri ve OpenFOAM HAD sonuçları ile elde edilmi¸s
x-yönündeki hızların silindirden duvara çekilmi¸s bir do˘gru üze-rindeki da˘gılımının kar¸sıla¸stırılması, RPM=2900. . . 90 ¸Sekil 5.4: PIV ölçümleri ve OpenFOAM HAD sonuçları ile elde edilmi¸s
x-yönündeki hızların silindirden duvara çekilmi¸s bir do˘gru üze-rindeki da˘gılımının kar¸sıla¸stırılması, RPM=6000. . . 91 ¸Sekil 5.5: PIV ölçümleri ve OpenFOAM HAD sonuçları ile elde edilmi¸s
x-yönündeki hızların silindirden duvara çekilmi¸s bir do˘gru üze-rindeki da˘gılımının kar¸sıla¸stırılması, RPM=7800. . . 92 ¸Sekil 5.6: AVBP HAD sonuçlarından elde edilen tepkime ısısı e¸sde˘ger
çiz-gisi ile normalle¸stirilmi¸s deneysel CH* kimyasal ı¸sıldama öl-çümlerinin kar¸sıla¸stırmalı görüntüsü, φ =0.75. . . 93 ¸Sekil 5.7: AVBP HAD sonuçlarından elde edilen tepkime ısısı e¸sde˘ger
çiz-gisi ile normalle¸stirilmi¸s deneysel CH* kimyasal ı¸sıldama öl-çümlerinin kar¸sıla¸stırmalı görüntüsü, φ =0.7. . . 94 ¸Sekil 5.8: PIV ölçümleri ve AVBP HAD sonuçları ile elde edilmi¸s x-yönündeki
hızların silindirden duvara çekilmi¸s bir do˘gru üzerindeki da˘gılı-mının kar¸sıla¸stırılması, φ =0.7. . . 95 ¸Sekil 5.9: Kar¸sılık gelen durumlar için Θ = 0.9 e¸sde˘ger çizgisi. . . 97
Ç˙IZELGE L˙ISTES˙I
Sayfa Çizelge 1.1: Silindir etrafındaki akı¸s için Reynolds sayısına ba˘glı olarak
akı¸s karakteristi˘gi. . . 3 Çizelge 1.2: Hidrojenin fosil yakıtlarla kar¸sıla¸stırmalı yanma özellikleri [17]. 11 Çizelge 4.1: Reynolds sayısı ve dönü¸s oranının tanımında kullanılan de˘gi¸sik
formüller ve deney düzene˘ginde kar¸sılık gelen de˘gerleri. . . . 43 Çizelge 4.2: De˘gi¸sik kabuller kullanılarak hesaplanmı¸s dönü¸s hızlarında
St-rouhal sayıları ve dönü¸s hızlarına denk gelen de˘gerleri. . . 48 Çizelge 4.3: Sabit ortalama hız ve alev hızı için hesaplanan deneysel
ça-lı¸sma ko¸sulları. Re hesaplanırken Poiseuille akı¸s profili kabulü yapılmı¸s ve merkez-çizgi hızı kullanılmı¸stır. . . 67 Çizelge 4.4: Kar¸sıla¸stırmalı de˘gerlendirme çalı¸smalarında kullanılan sınır
ko¸sulları. . . 71 Çizelge 4.5: Sönene kadar zorlanan alevlerin sınır ko¸sulları. . . 72 Çizelge 4.6: Çizelge 4.5’de sunulan sınır ko¸sullarına denk gelen alevlerin
maksimum sıcaklık-bölgesel gerinim oranı cevapları. . . 73 Çizelge 5.1: Çalı¸sılan i¸sletme ko¸sulları için denge ve silindir sıcaklıkları ve
yanma odasının gücü. . . 96
KISALTMALAR
CCD : Yük Ba˘gla¸sımlı Kamera (Charge Coupled Device) DC : Do˘gru Akım (Direct Current)
HAD : Hesaplamalı Akı¸skanlar Dinami˘gi LHV : Alt Isıl De˘ger (Lower Heating Value)
Nd:YAG : Neodyum Katkılı ˙Iitriyum Aluminyum Garneti (Neodymium-Doped Yttrium Aluminium Garnet) PIV : Parçacık Görüntü Hızölçer (Particle Image Velocimetry) PPM : Milyonda Bir (Parts Per Million)
RPM : Dakikadaki Devir Sayısı (Revolutions Per Minute)
SEMBOL L˙ISTES˙I
Bu çalı¸smada kullanılmı¸s olan simgeler açıklamaları ile birlikte a¸sa˘gıda sunulmu¸stur.
Simgeler Açıklama
α Dönü¸s oranı
αki Üçüncül kütlenin i tepkimesindeki çarpı¸sma verimi
β Hız üssü
CL Kaldırma katsayısı cp Sabit basınçta özgül ısı
H Entalpi
jk Kimyasal tür kütle akısı k Kimyasal tür indisi kf,i ˙Ileri tepkime hızı
kr,i Geri tepkime hızı
Kc,i itepkimesinin denge sabiti
κ Gerinim oranı
λ Isıl yayınım katsayısı
µ Viskozite ν Stokiyometrik katsayı ω Vortisite ˙ ωk Kimyasal türün üretim/tüketim hızı p Basınç φ E¸sde˘gerlilik oranı Φ Korelasyon q Tepkime hızı r Ku¸satma oranı
R ˙Ideal gaz sabiti (=8.31439J/molK) Re Reynolds sayısı
ρ Yo˘gunluk
S Entropi
S0L Serbestçe yayılan alev hızı SL Gerinim etkisi altındaki alev hızı
St Strouhal sayısı U Hız W Molekül kütlesi Xk Molar oran Yk Kütlesel oran xx
RES˙IM L˙ISTES˙I
Sayfa Resim 1.1: Yüksek performans SR-71 uça˘gında alevin tutunamaması
sonu-cunda gerçekle¸sen alev süpürülmesi [48]. . . 1 Resim 1.2: Atmosferde kolayca yayınabilen sera gazlarının
konsantrasyon-ları ve radyasyon yükleri [32]. . . 2 Resim 1.3: Silindir önü / arkası sanki-simetrik akı¸s, Re < 0.1 [9]. . . 5 Resim 1.4: Sınır tabaka ayrılması olmadan silindir önü / arkası asimetrik
akı¸s: Re = 5 [9]. . . 6 Resim 1.5: Simetrik burgaçlar: Re = 24 [9]. . . 6 Resim 1.6: Burgaç kopması periyodu boyunca kar¸sıt burgaçlara
sarmalla-nan silindir arkasındaki kayma tabakaları: Re = 70 [9]. . . 7 Resim 1.7: Kopan burgaçların Reynolds sayısına ba˘glı durumları ve serbest
akı¸sta sürüklenmeleri [9]. . . 7 Resim 1.8: Hidrojen-do˘gal gaz karı¸sımlarının yol testlerinde kullanılan
oto-büs [23]. . . 13 Resim 3.1: Tepkimesiz durumda deney düzene˘ginden alınan görüntü. . . 30
1. G˙IR˙I ¸S
Küt cisimler arkasında alev sabitlenmesi, endüstriyel kazanlar, buhar türbinleri, ramjet ve turbojet motorlar gibi yı˘gın akı¸s hızının alev hızından daha büyük oldu˘gu mühendis-lik sistemlerinde taze tepken gazların sürekli tutu¸smasını sa˘glamak ve alevin akı¸s tara-fından süpürülmesini engellemek için sıklıkla kullanılmaktadır [18, 49]. Alevin tutuna-madı˘gı durumlar tehlike olu¸sturmakta ve tutunma mekanizmasının incelenmesi bilimsel öneminin yanında pratik sistemlerde de önemini korumaktadır [48]. Buna ek olarak si-lindirin dönü¸sü ile açı˘ga çıkan asimetri etkisinin yanma kararsızlıkları üzerinde etkili oldu˘gu literatürde sunulmu¸s ve yanma kararsızlıklarının tanımlanması ve kontrolü için kullanılabilece˘gi dü¸sünülmektedir [4, 5].
Resim 1.1: Yüksek performans SR-71 uça˘gında alevin tutunamaması sonucunda ger-çekle¸sen alev süpürülmesi [48].
Ayrıca insano˘glunun sürekli artan enerji ihtiyacı fosil yakıtlara alternatif olarak kullanı-labilecek daha temiz yakıtların ara¸stırılması konusunu gündeme getirmi¸stir. Günümüzde harcanan enerjinin %80’e yakını fosil yakıtlardan kar¸sılanmaktadır ve bu e˘gilimin kısa sürede de˘gi¸smesi beklenmemektedir [36]. Sanayi devriminden günümüze katlanarak artan karbon içerikli emisyonlar [32], dünyanın radyasyon yükünü arttırarak küresel ısınma sorularını uyandırmı¸s ve hidrojen gibi karbon içermeyen ve yenilenebilir yakıt-ların ara¸stırılmasında önemli bir itici güç olmu¸slardır.
Resim 1.2: Atmosferde kolayca yayınabilen sera gazlarının konsantrasyonları ve rad-yasyon yükleri [32].
1.1 Tezin Amacı
Bu çalı¸smanın amacı metan/hava alevlerinin deneysel teknikler ve hesaplamalı akı¸s-kanlar mekani˘gi çözümleri kullanılarak incelenmesi, alevin tutunma mekanizması ve deneysel ölçüm ve had sonuçları ile elde edilen alev konumları ile kar¸sıla¸stırılması ile çözümlerin do˘grulanması ardından bu çözüm tekniklerinin hidrojen katkılı alevlere uy-gulanarak hidrojen katkılı alevlerin incelenmesi ve tahminlerde bulunulmasıdır. Bunla-rın yanında alevlerin hidrojen katkısı öncelikli olmak üzere, alev hızları, denge sıcak-lıkları ve alevlerin davranı¸slarını etkileyen gerinim ve ısı kaybı gibi mekanizmaları ve bu mekanizmaların alevlerin tutunma özelliklerini nasıl etkilediklerinin kar¸sıla¸stırmalı bir ¸sekilde incelenip hidrojen katkısının etkisini yorumlamaktır.
Ara¸stırmalarda Parçacık Görüntü Hız Ölçümü (PIV) tekni˘gi kullanılarak deney düze-ne˘gindeki hız alanının ölçümü, CH* kimyasal ı¸sıldama ölçümleri kullanılarak alev ko-numunun belirlenmesi gibi deneysel uygulamaların yanında Hesaplamalı Akı¸skanlar Dinami˘gi çözümleri kullanılarak akı¸s ve reaksiyonlar benzetim yöntemleri ile incelen-mi¸stir.
1.2 Literatür Ara¸stırması
Küt cisimler etrafındaki akı¸s karakteristiklerinin akı¸sın Reynolds sayısı ile yakından ili¸skili oldukları bilinmektedir. Silindir etrafındaki akı¸s durumu için akı¸s, Reynolds sa-yısına ba˘glı olarak laminer kararlı rejim, laminer kararsız rejim ve türbülanslı rejim durumunda olabilir.
Çizelge 1.1: Silindir etrafındaki akı¸s için Reynolds sayısına ba˘glı olarak akı¸s karakteris-ti˘gi. Reynolds Sayısı Re=U∞dc µ Açıklama Davranı¸s Re≤ 0.1 Silidir önü / arkası sanki-simetrik akı¸s
Reynolds sayısı çok dü¸süktür, atalet etkisi burgaçlanma etkisi ile
kar¸sıla¸stırılabilir düzeydedir [9] 0.1 ≤ Re ≤ 4.5 Sınır tabaka ayrılması
olmadan silindir önü / arkası asimetrik akı¸s
Burgaçların ta¸sınımı yayınımı ile kar¸sıla¸stırıldı˘gında artmı¸stır, sınır tabakası ayrılması yoktur, silindir etrafındaki akı¸s silindir arkası bölge ile kar¸sıla¸stırıldı˘gında silindir önü bölgede daha hızlıdır [9]
4.5 ≤ Re ≤ 35 Silindire tutunmu¸s bir geri dönü¸s bölgesi ile kararlı bir iz bölgesi
Akı¸sın yava¸slamasından
kaynaklanan ters basınç gradyanı silindir etrafındaki sınır tabakanın ayrılmasına neden olmu¸stur ve Reynolds sayısı arttıkça ayrılma bölgesi silindirin iki tarafında da silindir önü bölgeye do˘gru
ilerlemektedir ve kayma bölgeleri silindir arkası bölgede birle¸serek simetrik bir geri dönü¸s bölgesi olu¸sturmaktadır [9].
35 ≤ Re ≤ 60 [9] Re< 49 [82] Sınır tabakada küçük düzensizlikler olu¸sumu ve geri dönü¸s bölgesindeki küçük bir asimetrinin varlı˘gı [9]. Kararlı geri dönü¸s bölgesi [82].
Geri dönü¸s bölgesinin sınırlarında kısa süre var olup yayınan öncül düzensizlikler olu¸smaktadır. ˙Iz bölgesi salınmaya ba¸slamakta ve Reynolds sayısı yükseldikçe salınımların oldu˘gu bu bölge silindire yakla¸smaktadır [9]. ˙Iki simetrik geri dönü¸s bölgesi olu¸smaktadır ve geri dönü¸s bölgesinin uzunlu˘gu Reynolds sayısı ile orantılıdır [82]. 47 ≤ Re ≤
140 − 194
Laminer Karman burgaç kopması
Geri dönü¸s bölgesinin silindir arkası bölgesinde kararsızlıklar olu¸smaktadır ve bu kararsızlıkların genlikleri Reynolds sayısı ile orantılıdır. Salınımlar periyodik karakteristik göstermektedir [82]. 190 ≤ Re ≤ 260 3B iz bölgesi geçi¸s
rejimi
˙Iki belirgin de˘gi¸siklik olu¸smaktadır; Reynolds sayısı Re = 180 − 194 civarında mod A seklinde adlandırılan burgaç dü˘gümleri görülmektedir ve laminer Karman burgaçlarının bozunması ile akı¸s yönünde burgaç çiftleri
olu¸smaktadır.
Reynolds sayısı Re = 230 − 250 civarında, mod A’dan akı¸s yönünde daha ince burgaçlardan olu¸san mod B’ye enerji transferi
gerçekle¸smektedir. 260 ≤ Re ≤ 1000 Üç boyutlu ince
olu¸sumlarda
düzensizli˘gin artması
Reynolds sayısı Re = 260 oldu˘gunda emme basınç katsayısında Reynolds gerilmelerindeki artı¸stan
kaynaklandı˘gı dü¸sünülen bir pik gözlemlenmektedir. Akı¸s yönünde ince ölçekli üç boyutlu yapılarda düzensizli˘gin artması ile birlikte baskın kararsızlık laminar burgaç kopması rejimine oldukça yakındır. Reynolds sayısı arttıkça ince ölçekli yapılardaki düzensizlik artmaktadır.
1000 ≤ Re ≤ 20000
Kayma tabakası geçi¸s rejimi
Silindirin iki yanından ayrılan kayma tabakalarında kararsızlıklar geli¸smektedir. Türbülanslı rejime geçi¸s bölgesi Reynolds sayısı arttıkça silindir önü bölgeye ta¸sınmaktadır.
Çizelge 1.1’de sunuldu˘gu üzere akı¸s ilk önce kararlı laminer durumdadır. Reynolds sa-yısı arttıkça kararsız laminer duruma geçmekte ve silindirden Karman burgaçları kop-maktadır. Reynolds sayısının daha da artması sonucu üç boyutlu kararsızlıklar ba¸s gös-termekte ve kayma tabakası türbülanslı rejime geçmeye ba¸slamaktadır. Bu durumun akabinde bu kararsızlıklar büyümekte ve Reynolds sayısının daha da artması sonucu üç boyutlu kararsızlıkların oldu˘gu akı¸s bölgesi silindir önü bölgelere ta¸sınmakta ve so-nunda silindir etrafındaki sınır tabakası da türbülanslı rejime ula¸smaktadır.
Resim 1.3: Silindir önü / arkası sanki-simetrik akı¸s, Re < 0.1 [9].
1.2.1 Ku¸satmanın küt cisim etrafındaki akı¸sa etkisi
Silindir etrafındaki akı¸slarda silindir paralel duvarlarla ku¸satıldı˘gında, duvarlar burgaç kopma frekanslarını ve silindir üzerindeki kuvvetleri etkiler ve hatta duvarlar arasındaki mesafe yeterince kısa ise burgaç kopmasının tam olarak sönümlenmesine neden olabilir [71].
Deneysel ölçümler iz bölgesindeki kararsızlı˘gın serbest akı¸s içindeki silindirler için öl-çülen Reynolds sayısı Re = 47 de˘gerinden ku¸satma oranı r = 1/3 olan ku¸satılmı¸s silin-dirler için Re = 108 de˘gerine kadar geciktirdi˘gi açıklamı¸stır [61]. ¸Sekil 1.6 ve 1.1 kar-¸sıla¸stırıldı˘gında ku¸satmanın laminer Karman burgaç kopması rejiminden iki ters yönde dönen kararlı burgacın bulundu˘gu bir rejime ta¸sıdı˘gı gözlemlenebilir.
Resim 1.4: Sınır tabaka ayrılması olmadan silindir önü / arkası asimetrik akı¸s: Re = 5 [9].
Resim 1.5: Simetrik burgaçlar: Re = 24 [9].
¸Sekil 1.1: Ku¸satma oranı r = 1/3 olan ku¸satılmı¸s silindir etrafındaki akı¸s, Reynolds sa-yısı Re = 100 [61].
Resim 1.6: Burgaç kopması periyodu boyunca kar¸sıt burgaçlara sarmallanan silindir ar-kasındaki kayma tabakaları: Re = 70 [9].
Resim 1.7: Kopan burgaçların Reynolds sayısına ba˘glı durumları ve serbest akı¸sta sü-rüklenmeleri [9].
¸Sekil 1.2: Küt cisim etrafındaki e¸sısıl akı¸staki kilit özellikler. Üst kısımda zamana ba˘glı akı¸s topolojisi gösterilmi¸s, alt kısımda ise zaman ortalamalı hız profilleri su-nulmu¸stur. Bunlara ek olarak ku¸satılmı¸s tepkimeli durum için iz akı¸sından jet akı¸sına geçi¸si tanımlayan zaman ortalamalı hız profilleri alt sa˘g kısımda sunulmu¸stur [68].
1.2.2 Alevin küt cisim etrafındaki akı¸sa etkisi
Küt cisimler etrafındaki akı¸s için, akı¸s alanı küt cismin hücum kenarından sınır ta-baka ayrılma noktasına kadar uzanan küt cisim etrafındaki sınır tata-baka bölgesi, sınır tabaka ayrılma noktası ve geri dönü¸s bölgesini içeren ayrılmı¸s kayma tabakası bölgesi ve kayma tabakalarının birle¸sip etkile¸sime girdi˘gi küt cisim arkasındaki iz bölgesi ola-rak ¸Sekil 1.2’de sunuldu˘gu gibi gruplanabilir.
Küt cisimler etrafındaki akı¸sta ön karı¸sımlı bir alev bulundu˘gunda akı¸s dinami˘gi de-˘gi¸smektedir. Literatürde alevin etkisi ile burgaçların güçsüzle¸sti˘gi ve düzensizle¸stikleri raporlanmı¸stır [22]. Aynı zamanda geri dönü¸s bölgesindeki türbülans seviyelerinin e¸sı-sıl durumla kar¸e¸sı-sıla¸stırıldı˘gında çok dü¸sük seviyelerde kaldı˘gı raporlanmı¸stır [7] [21]. Bu durum yanmı¸s gazların taze gazlara göre viskozitelerinin çok daha yüksek olmasıdır.
1.2.3 Alev geri tepmesi (Flashback)
Kararlı bir alev için akı¸s hızının bölgesel alev hızına e¸sit olması gerekmektedir. E˘ger bu ko¸sul sa˘glanmazsa alev hızının akı¸s hızına göre büyüklü˘güne ba˘glı olarak alev taze gazlara do˘gru ilerleyecek, yada akı¸s tarafından taze gazlardan uza˘ga süpürülecektir. Bu kar¸sıla¸stırma alevin tepmesi (flashback) fenomeninin açıklanmasında da faydalıdır. Ale-vin tepmesi de˘gi¸sik ¸sekillerde olabilir [6], genel olarak;
• Kendili˘ginden tutu¸sma: karı¸sımın kendili˘ginden tutu¸sma zamanı azalırsa (sıcaklı-˘gın artması, e¸sde˘gerlilik oranındaki de˘gi¸simler vb. nedenlerden dolayı) yada ka-lım süresi artarsa (akı¸s hızının artması); kendili˘ginden tutu¸sma süresi n-besleme sistemi kalım süresinden daha dü¸sük bir de˘gere ula¸sabilir ve bu durum taze
gaz-¸Sekil 1.3: a-e¸sısıl ve b-tepkimeli durumlardaki hız vektörleri [22].
ların yanma odasının içi yerine besleme sistemi içerisinde tutu¸smalarına neden olabilir.
• Yanma kararsızlı˘gı: yanma odası içindeki akustik dalgalanmalar hız alanını etki-lemektedir, ve bazı durumlarda ortalama hızın üzerine çıkarak akı¸sın geri dönme-sine neden olabilirler [45]. Bu durum alevin bir dü¸sük hız bölgesi üzerinden taze gazlara do˘gru ilerleyebilmesi imkanını do˘gurmaktadır.
• Alevin merkez akı¸s içinde ilerlemesi: Bu durum türbülans nedeni ile alev hızı-nın artması yada taze gazların termodinamik özelliklerinde de˘gi¸siklikler olma-sından dolayı alevin geriye yayılımı ¸seklinde açıklanabilir. Birden çok besleme sistemi içeren modern gaz türbinlerinde, sistemlerden birinde meydana gelen alev geri tepmesi basınç dü¸sümünün artmasına neden olarak hava debisinin dü¸smesine neden olabilir. Bu durum fakir karı¸sım çalı¸sma ko¸sullarında e¸sde˘gerlilik oranını arttırarak di˘ger besleme sistemlerinde alev geri tepmesi meydana gelmesi riskini arttırabilir.
• Alevin sınır tabakasında yayılması: Sınır tabakalarda akı¸s hızı yava¸stır, dolayı-sıyla alev hızının akı¸s hızını yenmesi olasılı˘gı olu¸smaktadır. Bu fenomen yüksek oranda duvar sıcaklıkları ile ili¸skilidir.
• Yanma nedenli girdap bozunumu: bu alev geri tepmesi mekanizması girdap ile dengelenmi¸s yanma odalarına mahsustur. E¸s-basınç ve e¸s-yo˘gunluk yüzeyleri ara-sındaki eksen kaçıklı˘gından kaynaklanan baroklinik tork besleme sistemi çıkı-¸sında negatif hız bölgeleri olu¸sturmakta [66] ve alevin besleme sistemi içine ya-yılmasına olanak sa˘glamaktadır.
1.2.4 Sınır tabakada alev geri tepmesi
Sınır tabakalarda kaymazlık ko¸sulundan dolayı hızlar dü¸smektedir. Bu durum bölgesel alev hızının akı¸s hızından daha yüksek olması ve alevin yayılabilmesi ihtimalini bera-berinde getirir. Bu duruma kar¸sı olarak so˘guk duvarlar yakınındaki ısı ve radikal kayıp-larından dolayı bölgesel alev hızı dü¸smektedir. Bu durum sönme mesafesi kavramıdır.
¸Sekil 1.4: Hidrojen, metan ve propan alevlerinin sönme mesafeleri [12].
Aynı zamanda sınır tabakalardaki hız gradyanları alev üzerinde gerinme etkisine neden olacak ve alev hızlarını de˘gi¸stirecektir.
1.3 Yakıt Olarak Hidrojen
Küresel enerji talebi yükseldikçe, daha temiz ve yenilenebilir yakıtlara olan ihtiyaçlar önemli bir problem haline gelmektedir. Kullanılan enerjinin %80’e yakını yanma olarak adlandırdı˘gımız kimyasal tepkimelerden kar¸sılanmakta ve bu e˘gilimin yakın zamanda de˘gi¸smesi beklenmemektedir [36]. CO2, CH4 ve NO2 gibi sera gazlarının emisyonları
endüstriyel devrimden bu yana katlanarak artmaktadır [32]. Bu durumda karbon içer-meyen yakıtların enerji ihtiyaçlarının kar¸sılanmasında kullanılması bir çözüm olarak dü¸sünülebilir.
Hidrojen dü¸sük molekül a˘gırlı˘gı, yüksek yayınım katsayısı, yüksek ısıl iletkenlik ve dü-¸sük viskoziteye sahip bir enerji ta¸sıyıcısı olmasının yanında yüksek alev hızı, küçük sönme mesafesi ve dü¸sük tutu¸sma enerjisi gibi ilgi uyandırıcı yanma özellikleri barındı-rır [69]. Pratikte kullanılan alternatif yakıtlar arasında hidrojen, özellikle fosil yakıtlara katıldı˘gında en geni¸s faydalı özellikleri ta¸sımaktadır [75]. Hidrojen aynı zamanda zehirli ve kanserojen de˘gildir [55].
Hidrojen mühendislik sistemlerinde ¸su ¸sekillerde kullanılmaktadır: • Hidrojen yakıtlı motorlar
• Yakıt pilleri
• Hidrojen katkılı yakıtlar • Sentez gazı
Hidrojen yakıt olarak kullanıldı˘gında bir çok avantajlı özelli˘ge sahiptir, bunlar a¸sa˘gıda sunuldu˘gu gibi özetlenebilir:
• Yenilenebilir yöntemlerle üretilebilir
• Karbon emisyonu yoktur
• Kütlesel enerji yo˘gunlu˘gu yüksektir
• Gerinim etkisine dayanıklıdır ve sönme gerinim oranı yüksektir • Yayınım hızı yüksektir [55]
• Tutu¸sma enerjisi dü¸süktür
• Sönme mesafesi dü¸süktür
Bu iyi özelliklerle birlikte hidrojenin yakıt olarak kullanılması beraberinde bazı deza-vantajları getirebilir:
• Ta¸sınımı ve depolanması lojistik ne-denlerden dolayı zordur [13]
• Bazı durumlarda tehlikeli olabilir [58] [55]
• Hacimsel enerji yo˘gunlu˘gu dü¸süktür • Alev geri tepmesi olasılı˘gını
arttıra-bilir [13]
• Parlama rejiminden patlama reji-mine geçi¸si nispeten daha olasıdır • Muhtemel istenmeyen kendili˘ginden
tutu¸sma
• Do˘gal bir kaynak olarak bulunmadı-˘gından üretilmesi gerekmektedir
Hidrojen yakıt olarak kullanıldı˘gında bir çok faydalı özelli˘gi vardır. Bu özelliklerden bazıları fosil yakıtlarla kar¸sıla¸stırılmalı olarak çizelge 1.2’de sunulmu¸stur.
Çizelge 1.2: Hidrojenin fosil yakıtlarla kar¸sıla¸stırmalı yanma özellikleri [17].
Özellik Hidrojen CNG Benzin Metan
Yo˘gunluk (kg/m3) 0.0824 0.72 730 0.651
Alevlenebilme sınırları (havadaki % hacim)
4-75 4.3-15 1.4-7.6 5.5-15 Alevlenebilme sınırları (φ ) 0.1-7.1 0.4-1.6 ∼0.7-4 0.4-1.6 Havadaki kendili˘ginden tutu¸sma sıcaklı˘gı
(K)
858 723 550 813
Havadaki minimum tutu¸sma enerjisi (mJ) 0.02 0.28 0.24 0.29
Alev hızı (m/s) 1.85 0.38 0.37-0.43 0.4
Adyabatik alev sıcaklı˘gı (K) 2480 2214 2580 2226
Sönme mesafesi (mm) 0.64 2.1c ∼2 2.5
Stokiyometrik yakıt/hava kütlesel oranı 0.029 0.069 0.068 0.058
Stokiyometrik hacim oranı (%) 29.53 9.48 ∼2 9.48
Alt ısıl de˘ger (MJ/m3) 9.9 32.6 42.0-44.0 32.6
Alt ısıl de˘ger (MJ/kg) 119.7 45.8 44.79 50
Yanma ısısı (MJ/kg hava) 3.37 2.9 2.83 2.9
Hidrojen fosil yakıtlar gibi hazır olarak bulunmamaktadır, pratik sistemlerde kullanıl-madan önce üretilmesi gerekmektedir. Hidrojen do˘galgazın buhar reformasyonu ile üre-tilebilir, fakat bu i¸slemler sırasında CO2gazı da açı˘ga çıkmaktadır. Aynı zamanda
hidro-jen biyokütle gazla¸stırması ve buhar reformasyonu, biyolojik organizmalar kullanılarak, elektroliz gibi yenilenebilir kaynaklar ve yöntemler kullanılarak da üretilebilir [28]. ¸Se-kil 1.5’de hidrojen üretimi için kullanılan yöntemler sunulmu¸stur.
1.3.1 Hidrojenle zenginle¸stirme
Hidrojenle zenginle¸stirme, tipik olarak noksansız yanmaya yakla¸sma, kararlılı˘gın ve fa-kir karı¸sımlarla çalı¸sabilme yetene˘ginin iyile¸stirilmesi amaçlarıyla hidrojenin di˘ger ya-kıtlara eklenmesidir. Hydrijenle zenginle¸stirme havacılıkta ve elektrik üzeriminde kul-lanılan gaz türbinleri, pistonlu motorlar ve çe¸sitli brülörler gibi bir çok mühendislik sistemine uygulanabilir. Hatta hidrojen-do˘gal gaz karı¸sımlarının ara¸stırıldı˘gı bazı çalı¸s-malar laboratuvar testlerinde ba¸sarılı olduktan sonra yol testlerine kadar ilerlemi¸slerdir [23].
Hidrojenle zenginle¸stirmenin benzin [19, 40–42, 52, 55], dizel [29, 70], do˘gal gaz [14, 15, 51, 52, 54] ve kerosen [8, 20] gibi bir çok birincil yakıtta uygulaması vardır.
Resim 1.8: Hidrojen-do˘gal gaz karı¸sımlarının yol testlerinde kullanılan otobüs [23]. Hidrojenle zenginle¸stirme, yanma hızlarını arttırmakta [15, 41], çevrimler arası fark-lılıkları [35, 52, 53] ve kısılma kayıplarını azaltmaktadır. Aynı zamanda fakir karı-¸sımla çalı¸stırılabilme özelli˘gini iyile¸sti˘ginden, özgül ısılar oranını arttırarak, daha yük-sek sıkı¸stırma oranlarına olanak sa˘glamakta ve ısıl verimi arttırmaktadır [52]. Ayrıca hidrojenle zenginle¸stirmenin noksansız yanmaya yardım ederek yanmamı¸s hidrokar-bon emisyonlarının ve fakir karı¸sımlarla çalı¸sabilme yetene˘gini iyile¸stirmesi sonucunda COand NOxemisyonlarının azalmasını sa˘glaması da önemli faydalı özelliklerindendir.
Hidrojenle zenginle¸stirmenin bütün bu özellikleri enerji üreten sistemlerin verimlerinin artmasına olanak sa˘glayabilir.
Hidrojenle zenginle¸stirme aynı zamanda kimyasal radikal üretim hızlarını arttırarak alev çekirdeklenme süresini kısaltır, dolayısı ile yanma hızını arttırır [13]. Bunların yanında hidrojenle zenginle¸stirilmi¸s yakıtların daha dü¸sük fakir alevlenebilme sınırlarına sahip olmasından dolayı a¸sırı fakir karı¸sımlarla yanma sistemlerinin çalı¸stırılabilmesine ola-nak sa˘glamakta ve NOx emisyonlarının azaltılmasına olanak sa˘glamaktadır [67]. Ek
olarak hidrojenin karbon içermemesinden dolayı seyreltme etkisi ve noksansız yanmaya olan katkısı nedeni ile CO and CO2emisyonlarının dü¸sürülmesinde de etkilidir. Dü¸sük
miktarda eklenen hidrojen bile pistonlu motorların performansını büyük ölçüde iyile¸s-tirmektedir.
Hidrojen katkılı yakıtların geli¸stirilmesi, hidrojenin kömür gazla¸stırılması ve akı¸skan yatak reaktörleri gibi sistemlerin çıktılarında hazır olarak bulunması ve bu gazların dü-¸sük maliyetli bir enerji kayna˘gı olarak kullanılabilmesi imkanından dolayı önemlidir. Hidrojen katkısı aynı zamanda egzoz gazı ve benzin reformasyonunda da uygulanmak-tadır. Benzin ve egzoz gazının bir kısmı endotermik katalitik reformasyon üniteleri ile hidrojen üretmek üzere i¸slendikten sonra ürünler emme manifolduna beslenmektedir [19].
Bunun yanında var olan sistemlerin hidrojen katkılı yakıtlar kullanılarak çalı¸stırılması için bazı de˘gi¸sikliklerin yapılması gerekebilir. Bunlardan bazıları hidrojenin alev hızı-nın yüksek olmasından kaynaklanan yükselen alev geri tepme olasılı˘gını dengelemek için manifoldlara uygulanması gerekebilecek de˘gi¸siklikler ve e˘ger sıvı halde depolan-ması dü¸sünülüyorsa yanma odasına girmeden önce buharla¸sabilmesi için yakıt besleme sistemine yapılması gerekebilecek de˘gi¸siklikler [11] olarak örneklenebilir.
Hidrojen katkısı hava araçlarında da ara¸stırma alanları bulabilmi¸stir. Snecma motoru üzerinde yapılan bir ara¸stırma sonucunda hidrojenin motor performansına katkısı vur-gulanmı¸s ve özellikle kısmi önkarı¸sımlı bir biçimde kerosen ile birlikte yanma odasına enjekte edildi˘ginde bir hidrojen pilot alevi olu¸sturdu˘gu ve fakir sönme sınırını dü¸sür-dü˘gü saptanmı¸stır [8]. Ek olarak laboratuvar ölçekli bir girdap ile dengelenmi¸s yanma odasında NO2 emisyonlarını olumsuz ¸sekilde etkilemeden CO emisyonlarının
azaltı-labilece˘gi gözlenmi¸stir [67]. Bunun yanında %12 gibi dü¸sük de˘gerlerde eklenen hid-rojenin daha kısa ve dayanıklı bir alev olu¸sturdu˘gu payla¸sılmı¸stır [67]. Gaz türbinleri üzerinde yapılan çalı¸smalar sonucu gaz türbinlerinin sıvı yakıtlar yerine hidrojen yaka-bilecek ¸sekilde yenilenebilece˘gi ara¸stırılmı¸stır [28].
Hidrojen aynı zamanda askeri hava araçlarında da performans iyile¸stirmeleri sunabi-lir. Sıvı halde depolandı˘gında yanma özelliklerinin yanında süpersonik yanmalı ramjet (scramjet) motorların yüksek hızda performanslarını büyük ölçüde etkileyen kompre-sör çıkı¸s sıcaklı˘gının dü¸sürülerek emme havasının so˘gutulmasında kullanılabilmesi de önemli bir performans katkısı olabilir [78]. Hidrojen ile so˘gutmanın di˘ger bir uygulama alanı da motor bile¸senlerinin so˘gutulması [56] ve hava araçlarının kontrol yüzeylerin-deki akı¸sın laminerle¸stirilmesi kontrolü ile sürüklenme kuvvetlerinin dü¸sürülmesinde kullanılması [62] olarak dü¸sünülmektedir.
2. PIV
PIV, parçacık görüntüleme ve görüntü i¸sleme yöntemlerinin kullanılarak ortalama par-çacık hareketinden akı¸s hızının elde edildi˘gi, dolaylı ve nicel bir akı¸s hızı ölçüm tekni-˘gidir. Geleneksel PIV sistemlerinde akı¸s, özel lensler kullanılarak düzlemsel bir lazer yapra˘gı üreten yüksek enerjili bir lazer sistemi tarafından aydınlatılan izleyici parçacık-lar tarafından tohumlanır. ˙Izleyici parçacıkparçacık-lardan saçılan ı¸sık genellikle dijital kamera-lardan olu¸san görüntü kaydedicilerle kaydedilir. ˙Iki boyutlu parçacık deseni hareketini içeren bu görüntüler daha sonra bir bilgisayara aktarılarak art i¸sleme teknikleri ile or-talama parçacıkların hareketleri de˘gerlendirilir. Art i¸sleme teknikleri genellikle görün-tülerin sorgulama penceresi olarak adlandırılan küçük parçalara bölündü˘gü ve ardı¸sık görüntülerin kar¸sıla¸stırılarak akı¸sı tamamen takip etti˘gi varsayılan izleyici parçacıkların ortalama deplasman alanının çıkarıldı˘gı adımlar içerir.
¸Sekil 2.2: Lüle içi akı¸sın sorgulama pencerelerini gösteren PIV görüntüsü [3].
t0ve t0+ ∆t zamanlarında kaydedilen görüntüler birbirleriyle kar¸sıla¸stırılarak ∆t zaman
aralı˘gında parçacıkların konumlarının ne kadar de˘gi¸sti˘gi de˘gerlendirilir. Bu de˘gerlen-dirme, görüntülerden kesilen ve sorgulama penceresi olarak adlandırılan küçük parçala-rın, istatistiki metotlar olan çapraz korelasyon algoritmalarıyla i¸slenerek, parçacıkların sorgulama penceresine ba˘glı olarak nasıl ilerlediklerinin incelenmesi ile yapılmaktadır. PIV istatistiki bir metottur, yani PIV yönteminde bireysel parçacıkların hareketi ince-lenmemektedir, bunun yerine sorgulama penceresi içerisindeki ortalama parçacık de-seninin do˘grusal hareketi incelenir. Bu yöntem PIV tekni˘gine gürbüzlük sa˘glar. Ham görüntü verisi küçük sorgulama pencerelerine bölünür ve sonrasında bu sorgulama pen-cereleri çapraz korelasyon algoritmaları ile i¸slenir. Görüntünün sorgulama penpen-cerelerine bölünmesinin temsili bir örne˘gi ¸Sekil 2.2’de sunulmu¸stur.
Ardından bu görüntüler ardı¸sık görüntü çiftinin ∆t zaman aralı˘gı sonrasında kaydedilmi¸s e¸si ile kar¸sıla¸stırılmaktadır. Parçacıkların temsili hareketi ¸Sekil 2.3’de sunulan farklı zamanlarda alınmı¸s iki görüntü parçasından gözlemlenebilir.
¸Sekil 2.3: Aynı konumda farklı zamanlarda alınmı¸s parçacıkların hareketini gösteren iki görüntü [3].
Görüntüler basitçe açıklamak gerekirse sorgulama pencerelerinin ardı¸sık görüntü çif-tinden seçilen arama pencereleri ile çarpılmalarına benzetilebilecek çapraz korelasyon algoritmaları ile kar¸sıla¸stırılmaktadır. Çarpım iki görüntü parçasındaki parçacıklar üst üste geldiklerinde büyük bir de˘gere, parçacıklar fon gürültüsüne denk geldiklerinde kü-çük bir de˘gere sonuç verecektir. Sorgulama penceresi arama penceresi üzerinde gezdi-rilirken korelasyon hesaplanır. Belirgin bir ba˘gıl kayma için parçacıklar üst üste gelerek korelasyon düzleminde bir pik olu¸sturacaklardır. Bu pikin merkezden uzaklı˘gı parça-cık deseninin sorgulama penceresinde ba˘gıl olarak ne kadar hareket etti˘gini temsil eder. Korelasyon pikinin temsili bir örne˘gi ¸Sekil 2.4’de sunulmu¸stur.
¸Sekil 2.4: Korelasyon fonksiyonundaki pikin temsili görüntüsü [81].
Akı¸s genellikle zeytinya˘gı, mineral ya˘gları ve su gibi sıvı yada polistiren ve alüminyum tanecikleri gibi katı izleyici parçacıklarla tohumlanmaktadır. PIV ölçümlerinde akı¸s hı-zının parçacık hızına do˘grudan ba˘glantılı oldu˘gu varsayımından dolayı, bu varsayımın ve parçacıkların akı¸sı ne durumda mükemmel olarak takip edemeyebilece˘ginin neden-leri ara¸stırılmalıdır. Parçacıkların akı¸sı iyi ¸sekilde takip edemeyebilece˘gi durumlar ¸su ¸sekilde özetlenebilir:
1. Parçacık ataleti: parçacıklar genel olarak akı¸sı takip etse bile, akı¸staki yüksek iv-melenme bölgelerinde parçacık cevap süreleri akı¸sla kıyaslandı˘gında çok daha yava¸s olabilir. Hava deniz seviyesi ve 15◦Csıcaklıkta 1.225kg/m3yo˘gunlu˘ga sa-hiptir. Buna kar¸sın ya˘g damlacıklarının yo˘gunlukları 800 − 920kg/m3 civarında-dır, ve hava ile kar¸sıla¸stırıldıklarında yo˘gunlukları arasındaki fark yadsınamaya-cak kadar büyüktür. Bu sebepten dolayı yüksek ivmelenmenin oldu˘gu bölgelerde parçacıklar a¸smalar yaparak akı¸sı mükemmel bir ¸sekilde takip etmeyebilir. 2. Çökelme: parçacıklar belirli bir boyuttan daha büyük olduklarında yer
çekimin-den etkilenerek çekimin-deney düzene˘ginin dibine do˘gru batabilir ya da yo˘gunluk farkına ba˘glı olarak deney düzene˘ginin yüzeyine yükselebilirler.
3. Brown hareketi: parçacıkların rastgele ısıl titre¸simleri bir gürültü kayna˘gı olarak kendini gösterip ölçüm kalitesini etkileyebilirler.
4. Katı sınırlar etrafındaki parçacıklar (yüksek hız gradyanı): katı bir sınırın yüzey normali boyunca sınır tabakada fevkalade bir ivmelenme vardır. Bu hız grad-yannından dolayı parçacıklar dönmeye ba¸slayabilir ve bu dönme sonucu olu¸san kuvvetler parçacıkların duvardan uzakla¸smalarına neden olarak duvar sınırlarında parçacıkların bulunmadı˘gı bölgeler olu¸sturabilir. Bu kuvvetler kayma tabakası kaynaklı kaldırma kuvveti olarak adlandırılmaktadırlar ve parçacıkların boyut-ları ile orantılı oldukboyut-larından sınır tabakanın duvara yakın bölgelerinde ölçüm alınmak isteniyorsa daha küçük parçaların seçilmesi gerekebilir. Bu durumlardaki ampirik kural kaliteli ölçümlerin duvardan parçacıkların 10 katı kadar uzaklıkta yapılabilece˘gi yönündedir.
Di˘ger bir yönden e˘ger akı¸sın tohumlanmasında sıvı parçacıklar kullanılıyorsa, parça-cıkların buharla¸sması gibi daha farklı problemler açı˘ga çıkabilir. Örne˘gin bu çalı¸smada
¸Sekil 2.5: 1 µm çapındaki ya˘g damlacı˘gının ı¸sık saçınımı [59].
¸Sekil 2.6: 10 µm çapındaki ya˘g damlacı˘gının ı¸sık saçınımı [59].
kullanılan deney düzene˘ginde zeytinya˘gı damlacıkları alev bölgesinde buharla¸sıp yan-dı˘gından alev ve alev sonrası bölgelerinde ölçümler mümkün olmamaktadır. Aynı za-manda zeytinya˘gı deneysel düzenek yüzeylerini ince bir film ¸seklinde kaplayarak yüzey ko¸sullarını de˘gi¸stirebilir.
2.1 Parçacıklardan Saçınan I¸sık (Mie Rejimi)
PIV yönteminde izletici parçacıklardan saçılan ı¸sık kameralarla kaydedilip i¸slendi˘gin-den, aydınlatma PIV sisteminin önemli bir parçasını olu¸sturmaktadır. E˘ger parçacıklar mikron mertebesinde ise boyutları aydınlatmada kullanılan ı¸sı˘gın dalga boyundan daha büyük oldu˘gundan saçınım Mie rejimindedir. ¸Sekil 2.5 ve 2.6’de Mie rejimi için saçı-nan ı¸sı˘gın ¸siddetleri sunulmu¸stur. Lazer ı¸sını sol taraftan sıfır derece açı ile gelmekte ve grafiklerdeki çizgiler damlacıktan saçınan ı¸sı˘gın aydınlatma açısına ba˘glı olarak de-˘gi¸sen gözlemci açısına göre saçınım ¸siddetini göstermektedir. PIV sistemlerinde genel-likle kamera akı¸sla 90◦açı yapacak ¸sekilde yerle¸stirilir. Bu açı saçınım verimi açısından çok iyi bir de˘ger olmamasına kar¸sın kameranın odak düzleminin lazer yapra˘gı ile hi-zalanmasına imkan vererek odak düzlemi dı¸sında kalan parçacıklardan saçınan ı¸sı˘gın engellenmesine yardımcı oldu˘gu için iyi bir tercih olarak kabul edilip, sıklıkla kullanıl-maktadır.
2.2 I¸sık Kaynakları, Aydınlatma ve Lazerin Optik ˙I¸slenimi
Bu çalı¸smada kullanılan deney düzene˘ginde ve geleneksel PIV sistemlerinde sıklıkla kullanılan ı¸sık kayna˘gı çe¸sitlerinden biri 532 ηm dalga boyunda ye¸sil lazer ı¸sını üreten
¸Sekil 2.7: Lazerden çıkan sütun biçimindeki lazer ı¸sınının optik i¸slenimi [59].
Nd:YAG lazerlerdir. Ye¸sil lazer ı¸sınının tercih nedenlerinden biri olarak kameraların bu dalga boyundaki ı¸sıklara oldukça hassas davranmalarıdır. Nd:YAG lazerden çıkan lazer ı¸sını sütun biçiminde oldu˘gundan optik yöntemlerle i¸slenerek kameranın odak düzlemi ile hizalanmı¸s bir lazer yapra˘gı biçimine dönü¸stürülmesi gerekmektedir.
2.3 Görüntülerin Kaydedilmesi ve Kameralar
Günümüzde görüntüler eektronik kameralarla kaydedilmektedir. En sık biçimde kulla-nılan kameralar CCD kameralardır. Bu kameralarda bir foton piksel alanına çarptı˘gında bir elektron üretilir ve bu elektronlar yük sepetlerinde saklanır. Bir piksel 20000 ci-varında elektron barındırabilir. Elektronlar piksellerde biriktirilir ve sonrasında okuma zamanı geldi˘ginde bütün elektronlar sayılır. Kameraların önemli özellikleri spektrum tepkisi, konumsal çözünürlük, zamansal çözünürlük ve dinamik aralıktır. Spektrum tep-kisi kameranın belirli dalga boyundaki ı¸sıklara nasıl tepki verece˘gini belirtir. Dinamik aralık ölçebildi˘gi en parlak ı¸sı˘gın kameranın tepki verebilece˘gi en lo¸s ı¸sı˘ga oranıdır. Bunların yanında kameranın ısıl gürültüye cevabı da önemli özellikleri arasında sırala-nabilir.
CCD kameralar analog cihazlar gibi dü¸sünülebilir. Yük sepetleri piksellere çarpan fo-ton sayısı ile orantılı sayıda elektronlar içerir ve sonrasında bu elektronlar her piksel için sayılır. Analogdan dijitale çevrimin gerçekle¸sti˘gi bu sayma a¸saması okuma a¸sa-ması olarak adlandırılır ve kameranın hangi sıklıkta foto˘graf çekebilece˘gini belirleyen önemli bir parametredir. Foto˘graf karesi ta¸sınımlı (frame transfer) CCD kameralarda bu elektronlar piksellerden alınarak basitçe farklı bir sıra piksellerden olu¸san depolama alanlarına aktarılmaktadır. Bu ta¸sıma okuma a¸samasından kısa oldu˘gundan kamera bir sonraki kare için çok daha çabuk müsait duruma geçebilmektedir. Sonrasında bu yükler ayrı ayrı okunarak kameranın çok daha küçük zaman aralıklarında çalı¸sması sa˘glana-bilmektedir. ¸Sekil 2.8’de foto˘graf karesi ta¸sınımlı CCD kameranın çalı¸sma prensibinin ¸sematik temsili sunulmu¸stur.
Birinci lazer vuru¸su sırasında kamera kaydetmektedir. Daha sonra kamera üretilen elekt-ronları depolama alanlarına aktarılır ve kamera tekrar kayıt için hazırlanır. Akabinde ikinci lazer vuru¸su gerçekle¸sir ve kamera bu lazer vuru¸su sırasında damlacıklardan ¸saçı-nan ı¸sı˘gı da kaydeder. Bu iki lazer vuru¸su arasındaki zaman aralı˘gı ¸Sekil 2.9’da sunulan PIV görüntüleri arasındaki zaman aralı˘gıdır.
¸Sekil 2.8: Foto˘graf karesi ta¸sınımlı (frame transfer) CCD kameralarda sensör da˘gılımı [59].
¸Sekil 2.9: Foto˘graf karesi ta¸sınımlı (frame transfer) CCD kameralarda zamanlama di-yagramı [59].
2.4 Sayısalla¸stırılmı¸s Parçacık Görüntüsü
PIV görüntülerinde bir çok bilgi üst üste birle¸stirilmi¸s durumdadır. Yani görüntüler yal-nızca parçacıklardan saçınan ı¸sı˘gı de˘gil, aynı zamanda münferit piksellerdeki rastlan-tısal gürültüyü, ısıl radyasyonun piksellerde elektronlara çevrilmesi ile meydana gelen ısıl radyasyon gürültüsünü, deneysel düzene˘gin duvarlarından yansıyan ı¸sı˘gın piksellere çarparak parlak bölgeler olu¸sturması yada tekdüze olmayan aydınlatmadan meydana gelen dü¸sük frekanslı fon gürültüyü içerir. Temsili bir görsel açıklama ¸Sekil 2.10’de sunulmu¸stur.
¸Sekil 2.10: PIV görüntüsündeki parlaklık da˘gılımı; parçacıklardan saçınan Gauss da˘gı-lımlı ı¸sık Ip, münferit piksellerdeki rastlantısal gürültü Isp, dü¸sük frekanslı
fon gürültü Il f, tümle¸sik parlaklık da˘gılımı Itot [3].
2.5 Görüntü Analizi
PIV tekni˘ginde münferit parçacıkların hareketlerinin yerine, parçacık deseninin orta-lama hareketi incelenir. Görüntüler sorguorta-lama pencerelerine bölündükten sonra bu sor-gulama pencereleri akabindeki resimdeki arama pencereleri ile kar¸sıla¸stırılarak parçacık deseninin hareketi irdelenir. Temsili bir örnek ¸Sekil 2.11’de sunulmu¸stur.
¸Sekil 2.11: PIV yöntemindeki görüntü i¸sleme adımı; gri-skala yo˘gunluklardan olu¸san G1görüntüsü ve akabindeki G2görüntüsü [3].
Korelasyonda kullanılacak alanın tanımlanmasında 2.1 ve 2.2 denklemleri kullanılabilir. GM(k, l) = G1 xm−M 2 + i, ym− N 2 + j = g1(i, j) (2.1) GS(k, l) = G2 xm−M 2 + i + m, ym− N 2 + j + n = g2(i + m, j + n) (2.2)
Denklem 2.1 ve 2.2’de sunulan xm ve ym noktaları, sorgulama pencerelerinin
¸Sekil 2.12: En küçük ikinci dereceden fark [3].
boyutları M ve N ile tanımlanmı¸s olup, ¸Sekil 2.11’deki koyu gri alanlara denk gelmek-tedir. i ve j koordinatların indisleridir.
Kar¸sıla¸stırılan iki görüntü arasındaki karesel ortalama fark (RMS difference), piksel pik-sel hesaplanan parlaklık farkının karelerinin tüm pikpik-seller boyunca toplamının karekökü olarak tanımlanabilir. Ardından sorgulama penceresi ikincil görüntü üzerinde gezdirile-rek her bir konum için karesel ortalama fark hesaplanıp iki görüntünün birbirine en çok benzedi˘gi konum elde edilebilir.
~VM= {GM(k, l), k = 0, 1, 2 · · · M − 1, l = 0, 1, 2 · · · N − 1} (2.3) ~VS= {GS(k, l), k = 0, 1, 2 · · · M − 1, l = 0, 1, 2 · · · N − 1} (2.4) |∆~V (m, n)| = |~VM−~VS| = v u u t M−1
∑
k=0 N−1∑
l=0 [GM(k, l) − GS(k, l)]2 = v u u t M−1∑
i=0 N−1∑
j=0 [g1(i, j) − g2(i + m, j + n)]2 (2.5) D(m, n) = 1 M· N M−1∑
i=0 N−1∑
j=0 [g1(i, j) − g2(i + m, j + n)]2 (2.6)Denklem 2.6’de sunulan D(m, n) en küçük ikinci dereceden fark olarak adlandırılır ve GS’in GM’e ne kadar benzedi˘ginin bir ölçütüdür. D(m, n) ne kadar küçükse iki görüntü
arasındaki benzerlik o kadar fazladır. En küçük ikinci dereceden farkın temsili bir örne˘gi ¸Sekil 2.12’de sunulmu¸stur.
